Instituto Tecnológico de Costa Rica I Semestre 2020 Escuela de Ingeniería Electrónica EL-5522 Taller de Comunicaciones Eléctricas

Laboratorio 2 Uso de un Entorno de Simulación para Radiofrecuencia

1. Objetivo General

Al finalizar este experimento el estudiante estará en capacidad de entender y operar a nivel básico el funcionamiento de un entorno de simulador para radiofrecuencia.

2. Objetivos Específicos

2.1. Familiarizarse con un entorno de simulación de RF. 2.2. Simular varios tipos de circuitos, incluyendo modelos numéricos. 2.3. Obtener gráficas de los parámetros S de los distintos circuitos. 2.4. Realizar optimizaciones de los circuitos.

3. Cuestionario Previo

3.1. ¿En qué se diferencia un simulador de radiofrecuencia, como el simulador Microwave Office, de otros simuladores electrónicos convencionales? ¿Qué permite un entorno de este tipo? Busque al menos otras dos alternativas de simuladores de este tipo. 3.2. Investigue los fundamentos de una línea de transmisión. Indique cómo se modela y que tipos de modos soporta una línea de n conductores. Investigue la definición del factor de reflexión y su representación gráfica en la carta de Smith. 3.3 Investigue que son los parámetros de microondas y para que se utilizan. 3.4. Explique que es la matriz de scattering o matriz S (parámetros S) y explique el significado físico de cada uno de sus valores, además de su uso en los circuitos de telecomunicaciones. ¿Bajo qué condiciones se obtienen los parámetros S? ¿Cuál es su diferencia con la matriz de impedancias Z? 3.5 Explique cómo es la estructura de un PCB laminado y qué es una línea de microcinta (microstripline). 3.6. Explique el principio de operación de un filtro pasivo Butterworth (paso bajo y paso alto) de cuarto orden. Presente el circuito ¿Cuál es su particularidad respecto a un filtro pasivo RC? ¿Qué ecuaciones se utilizan para definir los valores de sus componentes en función de su frecuencia de corte e impedancia de salida? 3.7. Explique el principio de operación de un Diplexer y su uso. Investigue adicionalmente que es un Duplexer y aclare la diferencia, para no confundir los términos.

4. Equipo

Software de simulación MWO disponible en las computadoras del laboratorio de Comunicaciones Eléctricas de la Escuela de Electrónica y en el pool de aplicaciones virtual.

Documento: RF Electronics Chapter 2: Computer Simulation.

Tutoriales: Jump Start MWO

5. Procedimiento

5.1 Introducción a la elaboración de simulaciones utilizando AWR.

Esta sección está basada en el video tutorial introductorio “Jumpstart” para AWR MWO,

para ello puede acceder a la siguiente dirección y descargar los videos del tutorial:

https://tecnube1-

my.sharepoint.com/personal/sarriola_itcr_ac_cr/_layouts/15/guestaccess.aspx?docid=039

d1e815e74846f0be23a1056f2c4a84&authkey=AftB0cqA8ejbbPAr9C33hNI

Procedimiento:

1. Inicie el programa MWO de AWR y cree un nuevo proyecto con librerías.

2. Se introducen las opciones del proyecto donde se detalla los límites de frecuencia

del mismo.

3. Se coloca la frecuencia deseada, en este caso dicha frecuencia se encuentra

entre 1 y 10 Ghz. Click apply->Aceptar.

4. Seguidamente se crea un nuevo esquemático como Circuit Schematics->New

Schematic.

El esquemático es donde se colocan los elementos a simular, los cuales pueden ser

ubicados mediante el cambio de ventana como:

5. En este caso se desea simular una línea en un circuito impreso por lo que se

colocarán un par de líneas. Elements->Microstrip->Lines->Mlin una vez

seleccionada la misma se debe arrastrar el elemento hacia el esquemático

6. Además, se deben ingresar otras 2 líneas de la misma manera, solo que en la

última cambia a Mlef con esto el circuito se ve como se muestra a continuación.

Si se desea conocer más del elemento utilizado se puede observar más información

del mismo como Click Derecho-> Element Help

7. De igual manera se coloca una unión para estas líneas la cual se obtiene.

Elements->Microstrip->Juntions->MTEE$

8. Se agregan los puertos los de salida mediante Elements->Ports->Port

Con lo que el circuito queda como:

9. Es posible conocer el sustrato en el que se va a colocar el sistema ya que gracias

a las librerías se tienen algunos sustratos con los parámetros ya conocidos para

observar esto se puede accesar mediante Project->Global Definitions.

Para asignar estos sustratos se lleva a cabo la instrucción click derecho->add model

block de esta manera se asigna el último de los blocks presentados en la figura

anterior.

10. Se procede a colocar los valores de las líneas que se desean para esto se modifican

los valores de largo y ancho de las mismas a L=10mm, W=0.5mm lo cual se logra

dando doble click al elemento.

11. Entonces se procede a graficar la respuesta del sistema tanto en parámetros S como

en rectangulares lo cual se logra mediante Project->Graphs-> New Graph->Smith

Chart.

12. Para realizar una nueva medición Click derecho->Add new measurement

Se selecciona la medición del nombre del esquemático, asi como el tipo de parámetros

que se desea medir en este caso “parámetros S” y los puertos entre los que se desea

medir 1->1 o 1->2.

13. Para simular el sistema se debe ir a Simulate->Analyze

14. Se obtiene la gráfica de parámetros S como:

Adicionalmente se pueden conocer las propiedades de la medición mediante click

derecho ->Properties

Además, se pueden agregar marcadores en la posición que se desee como click

derecho-> add marker.

15. De la misma manera se puede replicar la medición con otro tipo de grafico lo cual

se logra mediante Projects->Graphs->Graph 1->Click derecho->Duplicate as->

Rectangular.

16. Se procede a realizar una simulación por modificación de parámetro

Esta se logra mediante la modificación de un parámetro en alguno o todos los

elementos del circuito.

a) Primeramente, es necesario seleccionar el Tune Tool el cual se encuentra en las

barras de herramientas

i. b) Se seleccionan los parámetros del elemento que se desean modificar durante la

simulación con tan solo dar click sobre ellos una vez seleccionado el tunetool.

i. ii. En este caso son los parámetros en azul.

c) Simular y abrir el Tune

d) De esta manera se puede modificar la simulación al mover los valores del Tune.

Esta simulación se puede comparar con la anterior y se observa que al cambiar

los valores de W y L esta se modifica.

17. Se puede observar el layout del sistema mediante

Projects->Circuits Schematics->Nombre del esquemático->click derecho-

>view layout

18. Una vez que se ingresa al layout se selecciona todo mediante control-A, y se

alinean mediante un botón llamado Snap Together el cual también se encuentra

en las barras de herramientas de esta manera se tiene:

Inclusive se puede modificar en el layout el tamaño del elemento respectivo de

manera que esto se ve reflejado de la misma manera en el esquemático.

Como se puede ver W cambio en el esquemático al variar el mismo en el layout.

19. Es posible crear un elemento desde el layout el cual se logra accesando a

layout-> barra de herramientas ->elemento deseado->tipo de layer deseado

20. De la misma manera es necesario importar las librerías al sistema lo cual se logra

en Layout->Cell libraries->Importe GDSII library.

En este caso la librería deseada se encuentra en

C:\Program Files

(x86)\AWR\AWRDE\11\Library\example_pdks\module\Library\AWR_PCB_V

IA

Una vez introducida esta librería, se selecciona la misma

Y se tienen las siguientes

Las cuales se colocan en el layout arrastrando los elementos

21. Las características de estas capas se pueden observar como

22. Para exportar se debe generar un nuevo DXF lo cual se logra mediante

FileExport Mappings->new DVF file export mapping

Una vez que se coloca el nombre pertinente se exporta el sistema

Herramientas->layout->Export.

Se utiliza el nombre que se colocó anteriormente en nuestro caso Board

23. Para extraer el sistema es necesario introducir un elemento llamado Extract

lo cual se logra mediante .Elements->Simulation Control->Extract.

Una vez que le mismo se colóca en el esquemático este debe modificarse

en ciertos parámetros, colocarle un nombre especifico entre otros. En

nuestro caso el nombre será EM_stub. Un parámetro importante es que el

simulador asignado sea AXIEM.

Además, se debe modificar el tamaño de la línea que se tiene para realizar

X_cell_size=0.05mm

Y_cell_size=0.05mm

En el stackup se selecciona el Thin_metal (la diferencia es el número de capas)

los stackup se pueden observar en Global Definitions

Se puede accesar a la información de estos al hacer click sobre los mismos.

En estos se muestra información acerca del tipo de metal que se usa, conductor,

entre otros parámetros de importancia para generar el PCB.

De esta manera se escoge el Thin_Metal.

24. Se seleccionan los elementos que van a ser extraídos en el esquemático

Luego click derecho->properties. De esta manera se eingresa a las

propiedades de elementos en conjunto con lo que se ingresa a Model

Options y se Habilita la extracción de los mismos

Una vez seleccionado esto se puede verificar que estos elementos forman parte

de la extracción click en el elemento Extract y se observa los elementos asociados

al mismo.

Igualmente, esto se puede ver reflejado de la misma manera en el Layout

25. Para observar lo que se va a extraer esto se realiza mediante el block Extract-

>click derecho->Add Extraction

Con lo que se puede ver cómo será el diagrama de la extracción

Así como su diagrama en 3D

Finalmente se puede observar la introducción de los puertos mediante EMstub-

>click derecho-> add annotation

De esta manera es posible observar La extracción en 3d

Donde se observa la presencia de los puertos inclusive

26. Finalmente se puede volver a simular el sistema con la finalidad de observar

las diferencias entre el mismo con el modelo y el que se tenía anteriormente.

Es decir las diferencias respecto al block modelo en el que se implemente.

5.2 Simulación de un Filtro Pasa Bajo (LPF) y un Filtro Pasa Alto (HPF)

Esta y las siguientes secciones se basan en el documento RF Electronics Chapter

2: Computer Simulation, el cual se debe consultar para completar los ejercicios.

1. Calcule los parámetros de un LPF Butterworth con frecuencia de corte de 250

MHz e impedancia de salida de 75 Ω.

2. Monte el esquemático en el simulador MWO.

3. Haga un análisis de parámetros S y obtenga las cuatro gráficas.

4. Defina los valores de los componentes del circuito como variables.

5. Utilice el “variable tuner” para mover la frecuencia de corte a 400 MHz. Hágalo

mientras observa la gráfica que define la frecuencia de corte. ¿Qué valores

definió?

6. Ahora defina la frecuencia de corte como una variable utilizando ecuaciones, y

establezca su valor en 150 MHz. ¿Qué valores de parámetros obtuvo?

7. Repita los pasos del 1 al 5 para el HPF.

5.2 Simulación de un Diplexer

1. Diseñe un diplexer que permita el paso de dos señales, utilizando los

filtros LPF y HPF del punto 5.1 como sub-circuitos. La frecuencia de corte se

define en 250 MHz.

2. Monte el circuito en el MWO.

3. Simule el circuito y realice un análisis de parámetros S.

4. Optimice el circuito para que las señales del LPF y el HPF se mezclen a menos

de 20 dB.

5. Obtenga los nuevos valores de los componentes del sistema optimizado.

5.3 Simulación de un Amplificador

1. Diseñe un amplificador tomando como base el transistor 2N4124 (utilice el

modelo del documento mencionado en el equipo).

2. Ingrese los valores del transistor en el MWO para poder utilizarlo en la

simulación.

3. Revise los valores de polarización del circuito.

4. Realice la simulación analizando los parámetros S y determine cuál gráfica es la

más relevante.

Consideraciones para el reporte:

1. Muestre con imágenes la correcta realización de los proyectos y adjunte los

proyectos de AWR al entregar el protocolo del laboratorio.

2. Explique e interprete los resultados obtenidos de forma breve, enlazándolos con

lo investigado en el cuestionario previo.